Salta al contenuto
Note per Studenti Esercizio - protezione catodica con anodi sacrificali di zinco e confronto con magnesio e alluminio

Esercizio - protezione catodica con anodi sacrificali di zinco e confronto con magnesio e alluminio

In questa pagina 6

Teoria: Corrosione dei metalli e protezioneLa corrosione umida è una cella galvanica che si forma da sola: anodo (M → M^n+ + ne−), catodo (O2 + 2H2O + 4e− → 4OH− in ambiente neutro, 2H+ + 2e− → H2 in acido), conduttore elettronico ed elettrolita; mancando uno dei quattro non c'è corrosione. La velocità segue Faraday (0,116 mm/anno per il ferro a 10 μA/cm²). Due metalli diversi a contatto: si corrode il meno nobile (serie galvanica), tanto più quanto più piccolo è l'anodo rispetto al catodo. Forme: uniforme, galvanica, in fessura e per aerazione differenziale, vaiolatura, intergranulare, sotto tensione. Passivazione: film di ossido sottile e protettivo (Al2O3, Cr2O3, rapporto di Pilling-Bedworth tra 1 e 2). Protezione: rivestimenti (zinco anodico e sacrificale, stagno catodico), inibitori, protezione catodica con anodi sacrificali (Zn, Al, Mg) o a corrente impressa (acciaio a −0,85 V rispetto a Cu/CuSO4).Corrosione dei metalli e protezione →. Faraday: Elettrolisi e leggi di FaradayUna cella elettrolitica usa energia elettrica per far avvenire una reazione non spontanea: all'anodo (polo +) c'è l'ossidazione, al catodo (polo −) la riduzione, con tensione applicata maggiore di E rev più sovratensioni e cadute ohmiche. In acqua si scarica al catodo la specie con E più alto e all'anodo quella con E più basso, tenendo conto della sovratensione (cloro-soda, deposizione dello zinco). Leggi di Faraday: m = φ·M·I·t/(z·F) con F = 96485 C/mol; da m si ricavano spessore di un rivestimento (s = m/ρA), tempo, volumi di gas. Applicazioni: raffinazione del rame, zincatura, nichelatura, cromatura, anodizzazione, produzione di Al, Cl2, NaOH, H2.Elettrolisi e leggi di Faraday →.

Testo. Lo scafo d'acciaio di un'imbarcazione ha 150 m2150\ \text{m}^2 di superficie immersa in acqua di mare, rivestita da una vernice che lascia scoperto il 10%10\% dell'area (difetti e pori). Per proteggere l'acciaio nudo serve una densità di corrente j=100 mA/m2j = 100\ \text{mA/m}^2. Si vuole una protezione per 2020 anni con anodi sacrificali (11 anno =8760= 8760 h). Ogni anodo si consuma al 85%85\% (fattore di utilizzazione u=0,85u = 0{,}85). Dati: F=96 485F = 96\,485 C/mol; Zn: M=65,38M = 65{,}38 g/mol, z=2z = 2, rendimento 95%95\%, ρ=7,14 g/cm3\rho = 7{,}14\ \text{g/cm}^3; Mg: 24,3124{,}31 g/mol, z=2z = 2, rendimento 50%50\%, ρ=1,74 g/cm3\rho = 1{,}74\ \text{g/cm}^3; Al: 26,9826{,}98 g/mol, z=3z = 3, rendimento 85%85\%, ρ=2,70 g/cm3\rho = 2{,}70\ \text{g/cm}^3.

  1. Spiegare perché lo zinco protegge l'acciaio e calcolare la f.e.m. standard della coppia zinco-ferro. Calcolare la capacità teorica e pratica dello zinco in Ah/kg.
  2. Calcolare la corrente di protezione e la massa totale di zinco necessaria; il numero di anodi da 2525 kg.
  3. Ripetere il calcolo con anodi di magnesio e di alluminio e confrontare massa e volume.
  4. (teoria) Perché si usano anodi di zinco o alluminio in acqua di mare e di magnesio nel suolo? Quale potenziale deve avere l'acciaio per essere protetto?

1. Perché lo zinco protegge; capacità

Lo zinco (E∘=−0,76E^\circ = -0{,}76 V) è meno nobile del ferro (−0,44-0{,}44 V). Collegati elettricamente, lo zinco diventa l'anodo (si ossida) e l'acciaio il catodo, dove si riduce l'ossigeno: il ferro non si ossida finché c'è zinco. La f.e.m. standard della cella è Ecella∘=EFe∘−EZn∘=−0,44−(−0,76)=0,32 VE^\circ_\text{cella} = E^\circ_\text{Fe} - E^\circ_\text{Zn} = -0{,}44 - (-0{,}76) = 0{,}32\ \text{V} Capacità teorica: la carica per kg di zinco (1 Ah=3600 C1\ \text{Ah} = 3600\ \text{C}), con M=0,06538M = 0{,}06538 kg/mol: zF3600 M=2⋅96 4853600⋅0,06538=820 Ah/kg\frac{zF}{3600\,M} = \frac{2\cdot96\,485}{3600\cdot0{,}06538} = 820\ \text{Ah/kg} Capacità pratica con rendimento 95%95\% (una parte dello zinco si consuma per corrosione propria): 0,95⋅820=779 Ah/kg0{,}95\cdot820 = 779\ \text{Ah/kg}.

2. Zinco

Area nuda: 0,10⋅150=15 m20{,}10\cdot150 = 15\ \text{m}^2. Corrente di protezione: I=j A=0,100 A/m2⋅15 m2=1,5 AI = j\,A = 0{,}100\ \text{A/m}^2\cdot15\ \text{m}^2 = 1{,}5\ \text{A} Carica in 2020 anni: 1,5 A⋅20⋅8760 h=2,628⋅105 Ah1{,}5\ \text{A}\cdot20\cdot8760\ \text{h} = 2{,}628\cdot10^5\ \text{Ah}. Massa netta di zinco: mnetta=2,628⋅105779=337 kgm_\text{netta} = \frac{2{,}628\cdot10^5}{779} = 337\ \text{kg} Un anodo non si consuma tutto: serve una massa maggiore, m=3370,85=397 kgm = \dfrac{337}{0{,}85} = 397\ \text{kg}. Con anodi da 2525 kg: 397/25=15,9397/25 = 15{,}9, quindi 16 anodi (400400 kg), distribuiti sullo scafo. Volume: 397 kg/7,14 g/cm3=55,6397\ \text{kg}/7{,}14\ \text{g/cm}^3 = 55{,}6 L.

3. Magnesio e alluminio

Capacità teoriche: Mg 2⋅96 4853600⋅0,02431=2205\frac{2\cdot96\,485}{3600\cdot0{,}02431} = 2205 Ah/kg; Al 3⋅96 4853600⋅0,02698=2980\frac{3\cdot96\,485}{3600\cdot0{,}02698} = 2980 Ah/kg. Capacità pratiche: Mg 0,50⋅2205=11020{,}50\cdot2205 = 1102 Ah/kg; Al 0,85⋅2980=25330{,}85\cdot2980 = 2533 Ah/kg. Masse (con u=0,85u = 0{,}85): mMg=2,628⋅1051102⋅0,85=280 kgmAl=2,628⋅1052533⋅0,85=122 kgm_\text{Mg} = \frac{2{,}628\cdot10^5}{1102\cdot0{,}85} = 280\ \text{kg} \qquad m_\text{Al} = \frac{2{,}628\cdot10^5}{2533\cdot0{,}85} = 122\ \text{kg}

anodo capacità pratica (Ah/kg) massa (kg) volume (L)
Zn 779779 397397 55,655{,}6
Mg 11021102 280280 161161
Al 25332533 122122 45,245{,}2

L'alluminio è il più leggero e il più compatto: a parità di anni serve un terzo della massa dello zinco. Il magnesio ha una grande capacità teorica ma si consuma in gran parte da solo (rendimento 50%50\%): richiede molta massa e ha poco senso in acqua di mare, dove l'attacco spontaneo è forte.

4. Domanda teorica

  • Scelta dell'anodo. Lo zinco e l'alluminio hanno un buon rendimento in acqua di mare, che è molto conduttiva: la tensione disponibile (E∘E^\circ rispetto a quella dell'acciaio) basta. Il magnesio ha il potenziale più negativo (−2,37-2{,}37 V): serve dove l'elettrolita è poco conduttivo (suolo, acque dolci) e quindi una d.d.p. maggiore aiuta a far passare la corrente; in acqua di mare la sua corrosione spontanea lo rende inefficiente.
  • Criterio di protezione. L'acciaio è protetto se il suo potenziale è almeno −0,85-0{,}85 V misurato rispetto all'elettrodo Cu/CuSO4_4 saturo (+0,316+0{,}316 V rispetto all'SHE), cioè −0,85+0,316=−0,534-0{,}85 + 0{,}316 = -0{,}534 V sulla scala SHE; in acqua di mare circa −0,80-0{,}80 V rispetto ad Ag/AgCl. Un potenziale molto più negativo (sovraprotezione) sviluppa idrogeno, può fragilizzare gli acciai ad alta resistenza e staccare la vernice.
  • La corrente erogata dagli anodi diminuisce col tempo a mano a mano che sul catodo si forma il deposito calcareo (Mg(OH)2\text{Mg(OH)}_2, CaCO3\text{CaCO}_3) per l'aumento del pH locale (Esercizio - pH di precipitazione degli idrossidi di ferro e di magnesio).

Risultati

punto risultato
f.e.m. Zn-Fe / capacità Zn 0,32 V / 820 Ah/kg teorici, 779 Ah/kg pratici
corrente e massa di Zn I=I = 1,5 A; 397 kg, 16 anodi da 2525 kg
massa di Mg / Al 280 kg / 122 kg
criterio di protezione ≤−0,85\le -0{,}85 V (Cu/CuSO4_4) =−0,534= -0{,}534 V SHE

Errori comuni

  • Usare l'area totale e non quella nuda nel calcolo della corrente.
  • Usare la capacità teorica al posto di quella pratica, o dimenticare il fattore di utilizzazione uu.
  • Confondere ore e anni (20⋅8760=175 20020\cdot8760 = 175\,200 h).
  • Scegliere il magnesio in acqua di mare solo per il suo potenziale molto negativo.

Versione ripasso

Testo. Scafo da 150 m2150\ \text{m}^2, il 10%10\% nudo, j=100 mA/m2j = 100\ \text{mA/m}^2, 2020 anni, u=0,85u = 0{,}85; anodi: Zn (95%95\%, ρ=7,14\rho = 7{,}14), Mg (50%50\%, 1,741{,}74), Al (85%85\%, 2,702{,}70). Capacità e f.e.m. dello zinco, corrente, massa e numero di anodi da 2525 kg, confronto con Mg e Al, scelta dell'anodo e criterio di protezione. Teoria: Corrosione dei metalli e protezioneLa corrosione umida è una cella galvanica che si forma da sola: anodo (M → M^n+ + ne−), catodo (O2 + 2H2O + 4e− → 4OH− in ambiente neutro, 2H+ + 2e− → H2 in acido), conduttore elettronico ed elettrolita; mancando uno dei quattro non c'è corrosione. La velocità segue Faraday (0,116 mm/anno per il ferro a 10 μA/cm²). Due metalli diversi a contatto: si corrode il meno nobile (serie galvanica), tanto più quanto più piccolo è l'anodo rispetto al catodo. Forme: uniforme, galvanica, in fessura e per aerazione differenziale, vaiolatura, intergranulare, sotto tensione. Passivazione: film di ossido sottile e protettivo (Al2O3, Cr2O3, rapporto di Pilling-Bedworth tra 1 e 2). Protezione: rivestimenti (zinco anodico e sacrificale, stagno catodico), inibitori, protezione catodica con anodi sacrificali (Zn, Al, Mg) o a corrente impressa (acciaio a −0,85 V rispetto a Cu/CuSO4).Corrosione dei metalli e protezione →.

  1. Zinco: Ecella∘=−0,44+0,76=0,32E^\circ_\text{cella} = -0{,}44 + 0{,}76 = 0{,}32 V; capacità 2⋅96 4853600⋅0,06538=820\frac{2\cdot96\,485}{3600\cdot0{,}06538} = 820 Ah/kg, pratica 779779 Ah/kg.
  2. Dimensionamento: area nuda 15 m215\ \text{m}^2, I=0,100⋅15=1,5I = 0{,}100\cdot15 = 1{,}5 A; 1,5⋅20⋅8760=2,628⋅1051{,}5\cdot20\cdot8760 = 2{,}628\cdot10^5 Ah; m=2,628⋅105779⋅0,85=397m = \frac{2{,}628\cdot10^5}{779\cdot0{,}85} = 397 kg (netta 337337 kg); 397/25≈16397/25\approx16 anodi.
  3. Mg e Al: capacità pratiche 11021102 e 25332533 Ah/kg; masse 280280 kg e 122122 kg; volumi 161161 L e 45,245{,}2 L (Zn 55,655{,}6 L). Al è il migliore; Mg in acqua di mare si consuma da solo.
  4. Teoria: Zn e Al per l'acqua di mare, Mg per suolo e acque dolci (resistività alta); protezione se E≤−0,85E\le -0{,}85 V rispetto a Cu/CuSO4_4 (−0,534-0{,}534 V SHE); troppo negativo fragilizza e stacca le vernici.

Formula di dimensionamento: m=I t⋅8760ε um = \dfrac{I\,t\cdot8760}{\varepsilon\,u} con ε\varepsilon capacità pratica; II calcolata sull'area nuda. Lo zinco è l'anodo perché è meno nobile del ferro; la corrente erogata cala col tempo per il deposito calcareo.

Errori tipici: area totale al posto di quella nuda; capacità teorica; uu dimenticato; ore e anni confusi.

Teoria collegata